Effetti di particelle e di lampi sull’elettronica

da internet

Interessante un recente articolo della rivista New Scientist. La nostra vita è sempre più dominata dall’elettronica e da dispositivi sempre più “piccoli”, potenti e veloci. Non tutti sanno però che la miniaturizzazione delle componenti elettroniche è sempre più esposta alla minaccia prodotta dalla “pioggia” di particelle energetiche che hanno origine dal cosmo e da fulmini molto energetici. L’occasione per riflettere su questi temi è ora offerta dal recente articolo del numero 2988 della rivista inglese New Scientist (“Intergalactic visitors threaten to bring chaos to our electronic world. Is there anything we can do?” di David Hambling del 28 settembre 2014). Infatti, particelle di grande energia colpiscono a ogni istante la terra: sono i raggi cosmici, che arrivano sia dal sole che dalle profondità cosmiche. È ormai noto da anni che la pioggia di particelle che raggiunge i bassi strati dell’atmosfera può produrre malfunzionamenti nei circuiti elettronici: temporanei, noti come soft error, o catastrofici nel peggiore dei casi. Il soft error è assai più frequente e tanto grave ed esteso da esse re oggetto di ampie ricerche, sia da parte di molti gruppi di ricerca che da parte delle grandi aziende produttrici di circuiti e computer. Il soft error corrisponde alla corruzione di uno o più bit di un circuito, ossia il passaggio non voluto per esempio da 0 a 1, con conseguenze di gravità crescente fino al blocco dell’apparato elettronico. In tal caso, solo spegnendolo e riaccendendolo potremo riportarlo al modo operativo, come a volte ci capita.

Se un guasto al nostro cellulare può essere fastidioso, conseguenze molto più drammatiche possono avvenire nel caso di guasti dell’elettronica di guida di un’auto, di un pacemaker, di un drone e in generale dell’elettronica che garantisce il buon funzionamento di sistemi critici per la sicurezza di persone e la salvaguardia di cose. È questo chiaramente il caso dell’elettronica di bordo degli aerei. Ad esempio, l’incidente del volo della compagnia aerea australiana Qantas 72 del 7 ottobre 2008 ha evidenziato come malfunzionamenti inattesi del pilota automatico possano portare a decine di feriti, anche nella fortunata assenza di eventi catastrofici.

È questo un tema che ci porta a considerare la seconda minaccia all’elettronica: i “lampi gamma terrestri”. Normalmente, la scarica elettrica di un fulmine tra nuvola e terra (e talvolta tra nuvola e nuvola) è seguita da un forte riscaldamento improvviso dell’aria e dall’onda acustica del tuono che può essere assordante se vicino. Recentemente però diverse misurazioni da terra e addirittura dei satelliti stanno rivelando un aspetto dei fulmini ancora più notevole: la capacità di produrre particelle e radiazione molto energetica. La scarica di un fulmine, da cui le apparecchiature degli aerei sono protette, può essere simultanea ad un flusso di radiazione e particelle non previsto. Tali lampi gamma, che costituiscono una minoranza rispetto ai fulmini normali ma che non si possono trascurare, potrebbero costituire un pericolo non solo a terra, ma anche per aerei  che eventualmente volino nelle loro vicinanze (anche senza colpirli!). Infatti, le particelle di alta energia  (fotoni, elettroni, neutroni) generate dai lampi gamma possono essere una minaccia per l’elettronica di bordo degli aerei, con possibili conseguenze per la sicurezza del volo. Improvvisamente molto più intenso del fondo normale di raggi cosmici atmosferici, questo flusso di particelle potrebbe generare dei malfunzionamenti dell'elettronica; nel caso di un flusso particolarmente intenso, potrebbe influenzare le capacità cognitive e i tempi di reazione dell'equipaggio e dei passeggeri. Un problema che deve essere ora attentamente studiato in tutti i suoi aspetti.

L’Italia è oggi all’avanguardia nello studio di fenomeni atmosferici di alta energia grazie alle osservazioni del satellite AGILE dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI). Da diversi anni le osservazioni del nostro satellite stanno infatti rivelando i lampi gamma (“Terrestrial Gamma-Ray Flashes”, TGF) che AGILE individua nella fascia equatoriale. Tali lampi estremamente energetici appaiono legati a forti temporali in regioni calde soggette a forte convezione atmosferica. Il riscaldamento globale della terra sta ora estendendo queste aree interessando zone sempre più vaste. L’osservazione dei TGF rinnova alcuni quesiti di base sul meccanismo di generazione dei fulmini, e in parallelo solleva la questione degli effetti dei TGF sugli aerei che passano nelle vicinanze (che addirittura potrebbero costituire l’innesco di tali fulmini). Su questo tema di grande rilevanza è attiva da tempo una collaborazione, citata nell’articolo della rivista New Scientist, fra l’Università di Padova (Alessandro Paccagnella del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, e Piero Benvenuti del Dipartimento di Fisica e Astronomia e Direttore del CISAS) e il team del satellite AGILE (di cui è responsabile Marco Tavani dell’Istituto Nazionale di Astrofisica).

I TGF possono infatti generare un intenso irraggiamento di parti esterne del velivolo con raggi gamma ma anche con elettroni, positroni e neutroni generati dalle parti metalliche o in fibra del velivolo colpito. Improvvisamente molto più intenso del fondo dei raggi cosmici atmosferici, questo flusso di particelle potrebbe generare dei malfunzionamenti all’elettronica di un aereo. I dispositivi elettronici odierni sono progettati per funzionare correttamente in presenza del flusso normale di raggi cosmici, con ampi margini e con una ridondanza tripla degli apparati fondamentali. Tuttavia, il tasso elevato di errori elettronici prodotti in un millisecondo dalla presenza di un TGF nelle vicinanze di un aereo potrebbe richiedere un’ulteriore miglioramento e ottimizzazione delle risorse di bordo, per garantire la sicurezza anche in occasione di questi eventi.

La motivazione per uno studio del fenomeno dei TGF e delle sue conseguenze è legata alle misure del satellite AGILE. Infatti, questo satellite il 1 giugno 2009 aveva registrato un’intensa attività di TGF nella regione equatoriale, quel momento fortemente convettiva, poi attraversata dal volo AF 477 Rio de Janeiro-Parigi, che subì il tragico e tristemente noto incidente. La possibilità che l’attività temporalesca estrema legata ai TGF possa essere una concausa di possibili incidenti deve essere oggi vagliata con rinnovato impegno.

È quindi fondamentale proseguire nella ricerca sviluppata dal gruppo italiano per verificare quale impatto possano avere i TGF sull’elettronica degli aerei e quali contromisure sia opportuno adottare per garantire la massima sicurezza a bordo, anche in voli attraverso zone di intensa attività temporalesca. Il team AGILE dell’INAF in collaborazione  con l’Università di Padova, l’Istituto ISAC del CNR (coordinato da Stefano Dietrich) e l’ASI è ora impegnato in un programma di studio dei lampi gamma che propone misure da terra, da aerei e da satellite oltre che a studi meteorologici e climatici. I dati del satellite AGILE saranno messi a disposizione entro 1-2 ore dalla rivelazione per lo studio dei TGF e per allerte meteo. Il gruppo di ricerca è collegato anche con diverse istituzioni europee ed extra-europee per uno studio globale del fenomeno. Il futuro può portare a notevoli progressi nella comprensione dei TGF e nel miglioramento dei possibili impatti. L’Italia ha la piena capacità scientifica, che necessità però di un adeguato supporto, per essere all’avanguardia nell’affrontare questa problematica di grande importanza per la sicurezza del volo e per la comprensione di nuovi e importanti fenomeni ambientali e climatici.

Carla Menaldo - Università di Padova - 31 ottobre 2014